光纖電流互感器噪聲抑制技術

光纖電流互感器利用光學法拉第磁光效應將被測導體中的電流信息表示為光波的相位差，經干涉效應轉化為光波的光強信號，然後光電探測器將光強信號轉換為電信號，電信號進入光纖電流互感器的信號處理電路，最終通過電路的解調和調製技術轉化為可識別的模擬或數位訊號，在整個檢測過程中，每個環節都將帶來不希望產生的噪聲信號。根據噪聲源的不同，影響光纖電流互感器隨機遊走係數的主要噪聲包括光源的相對強度噪聲、光纖線圈的熱相位噪聲、光電探測器的電噪聲和散粒噪聲。

基本介紹

• 中文名：光纖電流互感器噪聲抑制技術
• 外文名：Noise suppression technology of fiber optic current transformer
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 作用：噪聲抑制
• 主要噪聲：光源的相對強度噪聲等

全光纖電流互感器的噪聲來源及分析

光纖電流互感器的性能受溫度和噪聲的共同影響，其中溫度部分可以通過四態方波調製的增益誤差補償技術，在很大程度上能夠有效地抑制;而噪聲是光纖電流互感器所特有的，光纖電流互感器的噪聲水平直接決定信號檢測過程中信噪比(SNR)的大小，進而影響光纖電流互感器的最高極限測量，因此隨機噪聲成為影響光纖電流互感器小電流測量精度和性能的主要因素之一。光纖陀螺與光纖電流互感器具有相似的光路和電路系統。借鑑光纖陀螺的性能指標角隨機遊走係數(ARWC)來表示光纖電流互感器中的噪聲水平。角隨機遊走係數是衡量光纖陀螺中的噪聲大小，簡稱隨機遊走係數。如何降低光纖電流互感器的隨機遊走係數，改善光纖電流互感器的性能是 研究的重點內容。

根據反射型光纖電流互感器的信號檢測過程可知:光纖電流互感器利用光學法拉第磁光效應將被測導體中的電流信息表示為光波的相位差，經干涉效應轉化為光波的光強信號，然後光電探測器將光強信號轉換為電信號，電信號進入光纖電流互感器的信號處理電路，最終通過電路的解調和調製技術轉化為可識別的模擬或數位訊號，在整個檢測過程中，每個環節都將帶來不希望產生的噪聲信號。根據噪聲源的不同，影響光纖電流互感器隨機遊走係數的主要噪聲包括光源的相對強度噪聲、光纖線圈的熱相位噪聲、光電探測器的電噪聲和散粒噪聲。

電噪聲

電噪聲主要來源於光電探測器中的暗電流以及探測器中的跨阻抗放大器負載電阻的熱噪聲(也被稱為Johnson噪聲)。在1300nm波長的光纖電流互感器中，InGaAs PIN光電探測器因具有較低的暗電流、高量子效率以及高探測率等優點，而得到普遍的套用。InGaAs PIN探測器中的暗電流主要包括擴散電流、複合電流、表面暗電流、歐姆電流以及隧道電流等。跨阻抗放大器將電流信號轉化為電壓信號的過程中不僅含有暗電流產生的電噪聲，還有放大器負載電阻的熱噪聲。通常暗電流產生的噪聲等效功率不會大於放大器負載電阻的熱噪聲，因此電噪聲主要還是由探測器中的跨阻抗放大器噪聲構成。

熱相位噪聲

熱相位噪聲是因光纖受到溫度影響而發生折射率改變引起的相位噪聲，該噪聲的功率譜密度可以表示為 21 : 當光纖長度較短時，這種噪聲對光纖電流互感器性能影響很小，一般可以不予考慮，但隨著光纖長度的增加和溫度的升高，熱相位噪聲就會超過光電探測器。

的散粒噪聲，成為影響光纖電流互感器檢測最小相移的主要因素。而一般的光線電流互感器的光纖長度不會超過1000米，並且當光纖電流互感器的方波調製頻率等於光纖線圈的中心頻率時，能夠有效地抑制熱相位噪聲，因此該噪聲項通常不予考慮。

散粒噪聲

散粒噪聲(Short Noise)是光電檢測系統中普遍存在的一種噪聲，它是由光源隨機發射光子，在探測器端將光轉化成電子過程中產生的一種具有泊松分布的隨機噪聲，因而又被稱為泊松噪聲。在結型光電探測器中，由載流子移動的無規律性使得電流圍繞平均電流i的波動產生了探測器的散粒噪聲，因此散粒噪聲可

光源的相對強度噪聲

光源的相對強度噪聲代表著光源輸出能量的振盪幅度，是由寬頻光源光譜中所有不相關的頻率分量之間的隨機拍頻引起的附加噪聲，它反映了光源的幅度特性，和光電檢測過程無關。

光纖電流互感器中的噪聲是光纖電流互感器所特有的，大量實驗表明在光纖電流互感器輸出信號中噪聲對光纖電流互感器的最小相位檢測影響最大，嚴重影響了光纖電流互感器在小電流測量範圍內的精度，因此對光纖電流互感器的輸出信號進行濾波是改善光纖電流互感器性能的有效手段。目前主要的技術方案包含兩類:一是噪聲濾波技術;二是噪聲消除技術。前者偏重的是軟體實現，而後者更側重於硬體設計。 研究的是噪聲濾波技術，主要是從頻域和時域的兩個角度來分析光纖電流互感器輸出信號的特點，並分別在頻域和時域中 了噪聲濾波技術:有限衝激回響(FIR)實時濾波系統和自適應噪聲對消技術兩種方法。

FIR數字濾波器設計方法

在檢測弱信號時，一般採用鎖定放大器來得到準確的信號，但其複雜的電路限制了在光纖電流互感器中的套用 。由此本節 了一種軟體實現的方法，基於FIR數字濾波系統。由於FIR數字濾波器不含極點、沒有反饋迴路、穩定性好、精度高且具有線性相位，成為最常用的數字濾波方法之一。FIR數字濾波器的單位衝激回響是有限長的，設計問題的實質是確定能滿足所要求的脈衝回響的常數問題，設計常用的方法有傅立葉級數展開法、窗函式法與頻率採樣法等其中窗函式為最常用的設計方法。

自適應噪聲對消技術

自適應信號處理是一種利用最優線性濾波器將受噪聲和干擾污染的信號進行估計、檢測或恢復出原始信號的過程。無論是在平穩和非平穩的套用環境下，強大的信號跟蹤能力使得自適應濾波器成為控制和信號領域的一種強大信號處理技術手段，並且自適應濾波己成功地套用各個領域。儘管不同的套用領域具有不同的特性，但都有一個共同的基本特徵:通過輸入向量和期望回響的估計誤差來獲得一組可調的濾波係數。根據套用目的的不同，可將自適應濾波器分為四類:辨識、逆模型、預測、干擾消除。各種套用之間的本質不同在於選取不同的期望回響信號。

自適應濾波原理

噪聲對消屬於自適應濾波在干擾消除中的套用。自適應濾波算法的運行一般包括兩個基本過程:

（1）濾波過程，用一系列輸入數據來產生輸出回響;

（2）自適應過程，其目的是提供濾波過程中可調參數自適應控制的一個算法機制。

這兩個過程相互影響地工作。它是由美國史丹福大學在自適應噪聲對消系統是自適應最優濾波器的一種變形，1965年最先研究研究成功的。原理是將被噪聲污染的信號與參考信號進行抵消的運算，自適應噪聲對消的基本從而消除帶噪信號中的噪聲，得到純淨的信號。自適應噪聲對消技術關鍵是選取參考信號，使得噪聲對消系統的參考信號與待消除信號的噪聲具有一定的相關性，而要與檢測或提取的信號不相關。一般來說，從待消除噪聲的信號中減去參考噪聲信號是很危險的，極有可能會導致噪聲不僅不能被消除，反而更大削弱了有用信號。但是，自適應噪聲對消系統的濾波係數能夠根據帶噪信號的變化自動地調整和控制，能夠有效地從噪聲中提取出有用信號。對於非平穩信號也具有很強的適應性，因為此方法利用的是信號的相關性，自適應噪聲對消系統是利用相關噪聲去除帶噪信號的相關信號，是一種去相關的過程。自適應濾波系統的主要任務就是針對系統的各種不確定干擾信息，對可收集到的信息進行綜合處理，採用某種代價函式和誤差準則，使得某些性能指標達到最優，最終逼近信號的最佳估計。

問題與展望

雖然對改善光纖電流互感器性能相關技術的研究取得了一定成果，但仍存在一些問題需要進一步研究和實踐:

採用FIR數字濾波器時，選取高階的濾波器能獲得更好的濾波效果，但階數越大，計算量越大，給輸出信號帶來的時延越大，影響電流互感器的相位誤差，因此需要處理好高階濾波器所帶來的相位延遲。

基於RLS自適應光源相對強度噪聲對消系統在仿真實驗中顯示出很大的優勢，但並未在光纖電流互感器系統中套用，希望在今後的工作中進行實踐檢驗。